传感器 第二章2006

2.1.2 光电发射二极管
photoemissive cell
光电二极管----把检测装置中发射电子的极板（阴极）和吸收电子的 把检测装置中发射电子的极板（阴极） 光电二极管 把检测装置中发射电子的极板 极板（阳极）封于同一壳内，连上电极。 极板（阳极）封于同一壳内，连上电极。 按照原理可分真空光电二极管 按照原理可分真空光电二极管 和充气光电二极管两类。 充气光电二极管两类。 两类
-V
同一光强下在 达阳极的光电子数目增大， 同一光强下在0～20V范围内，U增大达阳极的光电子数目增大，阳极电流急剧增大； 20V范围内， 增大达阳极的光电子数目增大 阳极电流急剧增大； 范围内 大于20V后 几乎全部发射电子都巳到达阳极； 再增大， 几乎不变， 20V 当U大于20V后，几乎全部发射电子都巳到达阳极；U再增大，I几乎不变，曲线平坦 饱和区) (饱和区)。 选择在饱和区但要尽可能小一些 一般工作电压选择在饱和区但要尽可能小一些，而随着光强的增加， 一般工作电压选择在饱和区但要尽可能小一些，而随着光强的增加，产生的光电子 数就增多，所以光电流与光强成正比 光电流与光强成正比。 数就增多，所以光电流与光强成正比。
IL (1 0-6 A) 4 3 2 1 0.1 0 .0 5 光强 ( l m)
3、存在一个极限频率γ0 ：若入射光子能量hγ小于hγ0，即λ>λ0 无论光强多大都无光电子发射，光电流为0 时，无论光强多大都无光电子发射，光电流为0。 证明爱因斯坦假设… 电子吸收h 后能量完全用于克服表面逸出功， 证明爱因斯坦假设…，电子吸收hγ0后能量完全用于克服表面逸出功， 阈波长： 此波长为阈波长 此波长为阈波长：
2.3 光生伏特效应器件
Photovoltaic effect device
2.4 红外热释电器件
Infrared discharge device
2.5 固态图像传感器
Solid image sensors
2.6 光纤传感器 2.7 新型光传感器 New-typle photosensors
Fiber optic sensors
一、真空光电二极管
----将阳极和阴极同装于 将阳极和阴极同装于 将阳极和阴极 一真空玻璃壳内， 一真空玻璃壳内，两个电 极。
阴极：为有效地吸收最大光强一般具有一定的几何形状（ 阴极：为有效地吸收最大光强一般具有一定的几何形状（球面或 最大光强一般具有一定的几何形状 半圆筒状），其凹面上镀有光电发射材料。 ），其凹面上镀有光电发射材料 半圆筒状），其凹面上镀有光电发射材料。 阳极： 吸收阴极发射的电子， 不妨碍照射到阴极上的光线， 阳极：既吸收阴极发射的电子，又不妨碍照射到阴极上的光线， 用细金属丝（或棒）做阳极。 用细金属丝（或棒）做阳极。
若电子得到的能量全都变为电子的动能，光电子的最大动能为： 若电子得到的能量全都变为电子的动能，光电子的最大动能为： 电子的动能
表明，光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关 表明，光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关 成正比
？
光子 光电子
2P 6 2S 2 1S
2
+Z
二、实验总结
1、检测装置： 、检测装置： 发射材料上放一电子接收板连成一光电 上放一电子接收板 发射材料上放一电子接收板连成一光电 发射检测装置，测定逸出电流 逸出电流随 发射检测装置，测定逸出电流随光强度和 光频率的变化。 光频率的变化。 的变化
2、光电流随光强的变化曲线： 光电流随光强的变化曲线： 足够的外加E 在足够的外加E下，若入射光的频率一定 或频谱成分不变时，饱和光电流 光电流（ 或频谱成分不变时，饱和光电流（IL）与 光强成正比。 光强成正比。 入射光强越大，光子数越多， ∵入射光强越大，光子数越多，发射的 电子数越多， 电子数越多，即单位时间内通过单位面积 的电量越大。 的电量越大。
2、工作电压：一般有 个左右的打拿极，工作时，电极电位从阴极到 、工作电压：一般有11个左右的打拿极 工作时， 个左右的打拿极，
阳极经过各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足： 阳极经过各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足： V11>……V3>V2>V1， ， 3、二次电子发射----当具有足够动能的电子轰击打拿极时，该打拿极表面 二次电子发射----当具有足够动能的电子轰击打拿极时， ----当具有足够动能的电子轰击打拿极时 将有电子发射出来的现象。 将有电子发射出来的现象。 一次电子：轰击打拿极的电子 一次电子： 二次电子发射系数δ表示为： 二次电子发射系数δ表示为：
按工作原理将光敏传感器分为四类： 按工作原理将光敏传感器分为四类： 分为四类
一、光电效应传感器：用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。 光电效应传感器：用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。 分为外光电效应和内光电效应器件 二、红外热释电探测器： 红外热释电探测器： 对光谱中长波（红外）敏感的器件。 对光谱中长波（红外）敏感的器件。 红外光电器件-----光电效应红外器件和热释电器件 红外光电器件---光电效应红外器件和热释电器件 三、固态图像传感器：结构上分为两大类， 固态图像传感器：结构上分为两大类， 一类--- CCD的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器 ---用 的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器， 一类---用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器， 一类---用光敏二极管与MOS ---用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流 一类---用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流 信号的MOS图像传感器，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。 MOS图像传感器 信号的MOS图像传感器，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。 四、光纤传感器：是唯一的有光源的光敏传感器 光纤传感器：
二、充气光电二极管
结构:与真空光电二极管类似,只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气) 结构:与真空光电二极管类似,只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气)。 类似 光线照到阴极上产生光电子 阳极电 光线照到阴极上产生光电子,阳极电 产生光电子 压使其加速,加速的电子使气体分子 压使其加速 加速的电子使气体分子 电离,形成更多的电子和离子 形成更多的电子和离子， 电离 形成更多的电子和离子，又被 加速与另外气体分子碰撞使其电离产 生更多电子,即发生了倍增效应, 即发生了倍增效应 生更多电子 即发生了倍增效应 此外,气体电离的正离子又与阴极碰 此外 气体电离的正离子又与阴极碰 撞产生光电子,因此达到阳极的电子 撞产生光电子 因此达到阳极的电子 数目增大很多，相当于具有一定的放 数目增大很多， 大倍数，可达10倍左右 倍左右。 大倍数，可达 倍左右。
光敏传感器( 光敏传感器(Photosensors)
2.1 外光电效应及器件 2.2 光电导效应器件及其应用
P h o t o c o n d u c t o r a n d it s a p l li c a t io n photoemissive effect and its devices
阳极 入 射光
阳极
阳极 阴极
阴极 阴极 入射 光 透明阴 极 不 透 明阴 极 不 产生阳 极 投影 光电管
真空光电二极管结构示意图
真空光电二极管测量电路图 +V RL V0
Ia (1 0-6A) 4 3 2 1
其伏安特性曲线图
0. 11 l m 0 . 05 lm 0. 02 lm 光 通量 (l m) 20 40 60 阳极 电压 V a (V )
λ0 =
c
γ0
=
hc
φ
=
1.239 × 10 −4
φ
(cm) =
1.24
φ
Байду номын сангаас
( µm )
4、逸出电子的最大能量：给光电发射材料加反压，以阻止电子 、逸出电子的最大能量：给光电发射材料加反压， 运动到吸收板上，测出无电子到达时的电压。 运动到吸收板上，测出无电子到达时的电压。 若光子的波长或频率不变，光强增加只是照射材料的光子数目增 若光子的波长或频率不变，光强增加只是照射材料的光子数目增 逸出电子的最大能量保持不变。 多，逸出电子的最大能量保持不变。
Va
三、实用光电阴极的光电材料应该具备三个基本条件
1、光吸收系数大 2、光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小， 光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小， 使逸出深度大， 使逸出深度大，即一旦产生就能够逸出 3、电子亲和势较低，使表面的逸出几率提高。 电子亲和势较低，使表面的逸出几率提高。
∵纯金属反射强，吸收少，且逸出功大，光电发射效率低， 纯金属反射强，吸收少，且逸出功大，光电发射效率低， 反射强 大多数金属只适于做紫外灵敏的光电器件。 ∴大多数金属只适于做紫外灵敏的光电器件。 半导体光电材料 逸出功较小，对可见光、红外光都很敏感， 光电材料， 半导体光电材料，逸出功较小，对可见光、红外光都很敏感， ，（Cs ）、Bi 如Ge 、CdSe、(Ag-O-Cs)，（ 3Sb）、 -Cs、 、 ，（ ）、 、 AgBi-O-Cs、Na-K-Cs-Sb、Na2KSb、GaAs:Cs-O、 、 、 、 、 GaP:Cs和GaAs:Cs等负电亲和势的材料。 等负电亲和势的材料。 和 等负电亲和势的材料
I a 0.02lm
真空光电二极管 充气光电二极管
0.02lm
0
20
40
60
80
100
(V)
比较:充气光电二极管的灵敏度高， 比较:充气光电二极管的灵敏度高，但其 灵敏度高 随电压而显著变化， 灵敏度随电压而显著变化 灵敏度随电压而显著变化，使其稳定性和 频率特性都比真空光电二极管差， 频率特性都比真空光电二极管差，所以在 实际应用中应选择合适的电压。 实际应用中应选择合适的电压。
scintillation countor